Door principes uit de computationele vloeistofdynamica en akoestiek te combineren, onderzoekers van de TU Berlijn hebben een analytisch model ontwikkeld dat het proces van het ontwerpen van Helmholtz-resonatoren zou kunnen vereenvoudigen, een type geluidsonderdrukkende structuur die in vliegtuigen wordt gebruikt, schepen, en ventilatiesystemen. Het model kan het geluidsspectrum van een mogelijke Helmholtz-holte voorspellen als er turbulente lucht overheen stroomt, en kan mogelijk worden gebruikt om Helmholtz-resonatoren af ​​te stemmen om elke interessante frequentie te annuleren of te vermijden.

Ruisonderdrukkende hoofdtelefoons zijn een populair accessoire geworden voor frequent flyers. Door de achtergrondfrequenties te analyseren die door een vliegtuig tijdens de vlucht worden geproduceerd en een "anti-ruis" geluidsgolf te genereren die perfect uit fase is, dergelijke koptelefoons elimineren storende achtergrondgeluiden. Hoewel de koptelefoon niets kan doen aan de krappe zitplaatsen, ze kunnen het kijken naar een film of het luisteren naar muziek tijdens de vlucht bijna net zo leuk maken als thuis.

Om het storende geluid te minimaliseren dat wordt veroorzaakt door luide machines zoals auto's, schepen, en vliegtuigen, akoestische ingenieurs gebruiken veel strategieën. één technologie, zogenaamde Helmholtz-holte, is gebaseerd op een soortgelijk concept als dat wordt gebruikt in hoofdtelefoons met ruisonderdrukking. Hier, ingenieurs bouwen een resonerende doos die aan één kant opent naar een spleet. Als lucht over de spleet gaat, de kist trilt als een kerkorgelpijp, een toon voortbrengen. Door de grootte en vorm van de holte en de spleet aan te passen, akoestische ingenieurs kunnen het afstemmen om een ​​specifieke toon te produceren die - net als de koptelefoon - een dominante, irritant geluid geproduceerd door machines.

historisch, het afstemmen van een Helmholtz-resonator was een onderneming met brute kracht die gepaard ging met kostbaar en tijdrovend vallen en opstaan. Ingenieurs hadden geen andere keuze dan veel verschillende geometrieën fysiek te bouwen en te testen om een ​​optimale vorm voor een specifieke toepassing te vinden. vooral in een omgeving met turbulente stroming.

Vandaag, echter, high-performance computing biedt de mogelijkheid om dergelijke tests virtueel uit te voeren, waardoor het ontwerpproces sneller en eenvoudiger wordt.

In een artikel dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Acta Mechanica , Lewin Stein en Jörn Sesterhenn van de TU Berlijn beschrijven een nieuw analytisch model voor geluidsvoorspelling dat het ontwerp van Helmholtz-holtes goedkoper en efficiënter zou kunnen maken. De ontwikkeling van het model werd mogelijk gemaakt door een dataset die werd geproduceerd met behulp van directe numerieke simulatie in het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). Het analytische model kan voorspellen, op een manier die meer algemeen toepasbaar is dan voorheen, het geluidsspectrum van een potentiële Helmholtz-holte als turbulente lucht eroverheen stroomt. De auteurs suggereren dat een dergelijk hulpmiddel mogelijk kan worden gebruikt om Helmholtz-holtes af te stemmen om elke frequentie van belang op te heffen of te vermijden.

Simulatie benadert alle schalen van de natuur

Wanneer bewegende lucht over de spleet van een Helmholtz-holte gaat, de stroom wordt verstoord en turbulentie wordt versterkt. Draaikolken ontstaan ​​meestal, losmaken van de stroomopwaartse rand van de spleet. Samen vormen ze een blad van wervelingen die de spleet afdekken en kunnen interageren met de akoestische trillingen die in de holte worden gegenereerd. Het resultaat is een frequentieafhankelijke demping of excitatie van de akoestische golf wanneer lucht door deze vortexplaat gaat.

In het verleden was het moeilijk om dergelijke interacties en hun effecten numeriek te bestuderen zonder ruwe benaderingen te maken. Voor de eerste keer, Steins simulatie integreert op realistische wijze turbulente en akoestische verschijnselen van een Helmholtz-holte die wordt opgewekt door een turbulente stroming die over de spleet gaat. Met een ongekende resolutie, het maakt het mogelijk om de stroom-akoestische interactie en de implicaties ervan voor de resonantie van de holte te volgen.

Deze prestatie is mogelijk met behulp van een methode genaamd directe numerieke simulatie (DNS), die een gas of vloeistof op een fundamenteel niveau beschrijft. "Ik gebruik de meest complexe vorm van vloeistofvergelijkingen - de Navier-Stokes-vergelijkingen - om zo dicht mogelijk bij het werkelijke fenomeen in de natuur te komen, terwijl ik zo min mogelijk benadering gebruik, Stein zegt. "Onze DNS stelde ons in staat om nieuwe inzichten op te doen die er voorheen niet waren."

Stein's directe numerieke simulatie verdeelt het systeem in een mesh van ongeveer 1 miljard rasterpunten en simuleert meer dan 100 duizend tijdstappen, om de systeemdynamiek volledig op te lossen voor slechts 30 milliseconden fysieke tijd. Elke run van het numerieke model op de Hazel Hen-supercomputer van HLRS vergde ongeveer vier dagen van 24 uur, met behulp van ongeveer 40, 000 rekenkernen.

Terwijl een fysiek experiment ruimtelijk beperkt is en slechts enkele fysiek relevante parameters kan volgen, elke individuele DNS-run biedt een dataset van 20 terabyte die alle stroomvariabelen documenteert op alle tijdstappen en spaties binnen de mesh, het leveren van een rijke bron die in detail kan worden onderzocht. Stein zegt dat het uitvoeren van de simulatie over deze periode een goed compromis bood tussen het kunnen opzetten van een betrouwbare database en het verkrijgen van resultaten in een praktische hoeveelheid tijd.

Op weg naar een algemeen geluidsvoorspellingsmodel

Nadat de details van het akoestische model waren ontwikkeld, de volgende uitdaging was om te bevestigen dat het akoestische eigenschappen van andere Helmholtz-holtegeometrieën en luchtstroomomstandigheden kon voorspellen. Door de geëxtrapoleerde modelresultaten te vergelijken met experimentele gegevens van Joachim Golliard van het Centre de Transfert de Technologie du Mans in Frankrijk, Stein ontdekte dat het model dit met grote nauwkeurigheid deed.

Het model dat in het artikel wordt vermeld, is geoptimaliseerd voor luchtstromen met lage snelheid en voor lage frequenties, zoals die in ventilatiesystemen voorkomen. Het is ook modulair ontworpen, zodat ook een spouw met complexe materialen zoals schuim in plaats van een harde wand kan worden onderzocht. Stein verwacht dat het verkrijgen van meer rekentijd en toegang tot snellere supercomputers hem in staat zou stellen om een ​​breder scala aan potentiële resonatorvormen en stromingsomstandigheden numeriek te voorspellen.

Having recently completed his Ph.D. and now working as a postdoc at the Institute of Fluid Dynamics and Technical Acoustics in the group of Prof. Sesterhenn (TU Berlin), Stein foresees some attractive opportunities to cooperate with industrial partners and possibly to apply his model in real-life situations. "Although I studied theoretical physics, " he explains, "it is fulfilling to work on problems that reach beyond pure academic research and can be applied in industry, where people can potentially profit from what you've accomplished. This latest paper is an opportunity to prove the utility and applicability of our work. It's a great moment after years of working on a Ph.D."